Höhere Integration in der Steuerungstechnik Blaupause für SPS 4.0

Speicherprogrammierbare Steuerung mit Industrie 4.0.
Speicherprogrammierbare Steuerung mit Industrie 4.0.

Mit Industrie 4.0 wird die speicherprogrammierbare Steuerung neue Aufgaben bekommen. Viele Ingenieure glauben, dass diese Herausforderung durch die fortschreitende Integration digitaler Bauelemente zu lösen ist. Doch das ist ein Irrtum.

In der heutigen, äußerst wettbewerbsintensiven Weltwirtschaft können selbst kleine Verbesserungen an Fertigungsprozessen zu einem enormen Konkurrenzvorsprung führen. Auf Basis dieser Erkenntnis finden überall in den Fabriken tiefgreifende Umwälzungen statt. Produktionsunternehmen setzen neueste Sensortechnologien ein, stellen auf neue Steuerungsarchitekturen um und beginnen das Potenzial von Big Data und der damit zusammenhängenden Analysen zu erkennen. Diese oft als Industrie 4.0 titulierten Veränderungen in der Produktion können mit Fug und Recht als Revolution bezeichnet werden.

Für Anlagenhersteller liegt hierin eine enorme Chance, denn die Zahl der Sensoren, mit denen Umgebungs- und Prozessgrößen erfasst und verfolgt werden, steigt weiter an. Dies beschleunigt den Umstieg auf eine dezentrale Steuerungsarchitektur, da die Fabrikbetreiber bestrebt sind, Engpässe zu beseitigen und Regelschleifen zu straffen, indem sie ihre speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) näher an die zugehörigen Prozesse rücken. Im Endeffekt wird die Aussicht auf höhere betriebliche Effizienz und größere Fertigungsausbeuten zur umfangreichsten Modernisierung des Fabrikbetriebs führen, die es seit der Erfindung der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) gegeben hat. Für SPS-Entwickler resultiert hieraus eine erhebliche Herausforderung. Um auf diesem Markt zu gewinnen, müssen die Systemdesigner nämlich mehr I/Os und mehr Funktionalität auf immer weniger Platz unterbringen. Das Problem ist, dass sich durch digitale Skalierung des Mikroprozessors nur wenig Platz einsparen lässt, denn in den heutigen modernen SPS-Modulen gehen rund 85 % der Leiterplattenfläche auf das Konto der analogen und passiven Bauelemente. Ingenieure können es sich heute nicht mehr leisten, die auf der Hand liegenden Probleme auf ihren Leiterplatten zu ignorieren. Viele der analogen und diskreten Bauelemente, die sich in früheren Systemen so ausgezeichnet bewährt haben, sind schlicht zu groß für Mikro-SPS und Embedded-Controller. Die an Industrie 4.0 geknüpften Erwartungen aber werden sich nur dann realisieren lassen, wenn der Integrationsgrad überall in den SPS-Systemdesigns gesteigert wird.

Die SPS muss neu erfunden werden

Die SPS ist seit der Einführung der Modicon 084 im Jahr 1969 ein zentrales Element der industriellen Transformation. Dank der digitalen Revolution wurde sie im Lauf der Jahre auch immer leistungsfähiger: Eine SPS kann mehr Eingangssignale und größere Wortbreiten verarbeiten und bietet immer komplexere Befehlssätze. Inzwischen helfen Innovationen im Bereich der Analog- und Sensortechnik den Herstellern, die massiven Rechnerressourcen, die sowohl in den Fabriken selbst als auch in der Cloud zur Verfügung stehen, umfassend zu nutzen. Industrie 4.0 bietet eine Vision der Möglichkeiten, die sich ergeben, wenn diese Intelligenz mit allgegenwärtigen Sensoren, dezentralen Steuerungen und robuster, nahtloser Konnektivität kombiniert wird.

Dank des stetigen Fortschreitens von Moore’s Law steht uns heutzutage Rechenleistung in erheblichem Ausmaß zur Verfügung. Unternehmen können mittlerweile Datenmengen im Terabyte- oder gar Petabyte-Bereich verarbeiten, um ihre Entscheidungen zu stützen, neue Erkenntnisse zu gewinnen und Prozesse zu optimieren (Bild 1). Für die Hersteller besteht die größte Herausforderung darin, diese Daten zu sammeln und mit ihnen zu agieren. Zur Bewältigung dieser Herausforderung haben sich drei technologische Trends gebildet:

  • Umfassende Sensorik. Da die Kosten für Sensoren und deren Schnittstellen sinken, können Hersteller mehr Größen und Datentypen verfolgen.
  • Dezentralisierte Steuerung. Die Verlagerung der Prozesssteuerungen näher an die von ihnen gesteuerten Maschinen sorgt durch Beseitigung von Engpässen für mehr Durchsatz und Flexibilität in der Produktion.
  • Nahtlose Konnektivität. Die Hersteller schließen ihre Fabriken an ihre Unternehmensnetzwerke an, um das Potenzial von Big Data und den entsprechenden Analysen nutzen zu können. Den zahlreichen Vorteilen, die sich daraus ergeben, stehen allerdings viele Sicherheitsprobleme auf der Systemebene gegenüber.

Digitale Integration löst keine Platzprobleme

Das größte Problem bei einer SPS ist dasjenige, das niemand sieht. Eine jüngst durchgeführte Marktstudie ergab, dass die meisten Ingenieure die besten Chancen zum Platzsparen immer noch in der digitalen Technik sehen. Dabei beanspruchen digitale Chips nur 15 bis 20 % der Leiterplattenfläche in SPS-Modulen. Das wirkliche Problem besteht darin, wie viel Platz auf der Leiterplatte für analoge und diskrete Bauelemente benötigt wird. Tatsächlich entfallen auf diese Komponenten nicht weniger als 85 % der Leiterplattenfläche in SPS-Modulen (Bild 2). Allerdings lassen sie sich nicht wie digitale Chips skalieren, sodass höhere Integrationsgrade erforderlich sind, um Leiterplattenfläche zu sparen und gleichzeitig die erforderliche Funktionalität zu bieten.

Dank des stetigen Fortschreitens von Moore’s Law steht uns heutzutage Rechenleistung in erheblichem Ausmaß zur Verfügung. Unternehmen können mittlerweile Datenmengen im Terabyte- oder gar Petabyte-Bereich verarbeiten, um ihre Entscheidungen zu stützen, neue Erkenntnisse zu gewinnen und Prozesse zu optimieren (Bild 1). Für die Hersteller besteht die größte Herausforderung darin, diese Daten zu sammeln und mit ihnen zu agieren. Zur Bewältigung dieser Herausforderung haben sich drei technologische Trends gebildet:

  • Umfassende Sensorik. Da die Kosten für Sensoren und deren Schnittstellen sinken, können Hersteller mehr Größen und Datentypen verfolgen.
  • Dezentralisierte Steuerung. Die Verlagerung der Prozesssteuerungen näher an die von ihnen gesteuerten Maschinen sorgt durch Beseitigung von Engpässen für mehr Durchsatz und Flexibilität in der Produktion.
  • Nahtlose Konnektivität. Die Hersteller schließen ihre Fabriken an ihre Unternehmensnetzwerke an, um das Potenzial von Big Data und den entsprechenden Analysen nutzen zu können. Den zahlreichen Vorteilen, die sich daraus ergeben, stehen allerdings viele Sicherheitsprobleme auf der Systemebene gegenüber.

Digitale Integration löst keine Platzprobleme

Das größte Problem bei einer SPS ist dasjenige, das niemand sieht. Eine jüngst durchgeführte Marktstudie ergab, dass die meisten Ingenieure die besten Chancen zum Platzsparen immer noch in der digitalen Technik sehen. Dabei beanspruchen digitale Chips nur 15 bis 20 % der Leiterplattenfläche in SPS-Modulen. Das wirkliche Problem besteht darin, wie viel Platz auf der Leiterplatte für analoge und diskrete Bauelemente benötigt wird. Tatsächlich entfallen auf diese Komponenten nicht weniger als 85 % der Leiterplattenfläche in SPS-Modulen (Bild 2).

Allerdings lassen sie sich nicht wie digitale Chips skalieren, sodass höhere Integrationsgrade erforderlich sind, um Leiterplattenfläche zu sparen und gleichzeitig die erforderliche Funktionalität zu bieten.

Zur Lösung dieses Problems muss anders an das Analogdesign herangegangen werden. Die Zeiten, in denen Designer einfach Bauelemente mit den passenden Kenndaten aus den Katalogen auswählen und mit gekonntem Layout im vorgesehenen SPS-Gehäuse unterbringen konnten, sind vorbei.

Der heutige Markt verlangt stattdessen nach einer sprungförmigen Verbesserung der Raumausnutzung und Energieeffizienz. Um hier erfolgreich zu sein, werden Entwickler systematisch nach Möglichkeiten Ausschau halten müssen, die analogen Schaltungen zu straffen und die Verlustleistung zu senken.

Die Kombination mehrerer diskreter analoger Funktionen in einem einzigen IC kann Systemdesignern zu deutlichen Verbesserungen in Sachen Platzbedarf, Performance und Kosten verhelfen. Die „Micro-PLC Technology Demonstration Platform“ von Maxim macht deutlich, wie mit der Analogintegration ein um den Faktor 10 verkleinerter SPS-Footprint, 50 % weniger Wärmeentwicklung und ein 70-mal höherer Durchsatz bei den digitalen I/O-Funktionen erreicht werden können (Bild 3).

Umgesetzt werden diese Verbesserungen mit dem „Smart Integration“-Konzept, das Maxim bei der Produktentwicklung anwendet, und mit der proprietären Prozesstechnologie des Unternehmens.